【正文】 y, and through brief and argument to choose frozen production method. According to the chosen process, the materials of the entire process and energy were calculated, on the basis of mass and energy calculation,the main equipments of the process and piping and instrument diagram were last the relevant three wastes treatment were discussed and selection. Key words: nitrophosphate； freezing crystallization； monoammonium phosphate 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 獨(dú) 創(chuàng) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )，是本人在指導(dǎo)老師的指 導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。 本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 21 中和段能量衡算 30 加熱器外殼內(nèi)徑 D 外 36 儲(chǔ)罐 1928 年，挪威奧達(dá)公司成功地開發(fā)了冷凍法硝酸磷肥工藝－奧達(dá)（ Odda）法。其中需要從 外界 吸取的量最大的為氮、磷、鉀。此外，磷也是植物體內(nèi)一些酶的重要組成部分，這些含磷的酶對(duì)植物體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸和貯藏有 很大的作用，所以磷素充足，能促進(jìn)酶的活動(dòng)旺盛，有利于植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)順利地轉(zhuǎn)入生殖生長(zhǎng)。當(dāng)溶液用氨中和時(shí)，生成的產(chǎn)品中其氮磷比完全取決與磷酸中 P2O5的加入量，也可在分解磷礦或通氨中和時(shí)加入過(guò)量的硝酸，使硝酸和氨生成硝酸銨。 既然分解液中硝酸鈣的脫除程度直接影響最終產(chǎn)品的組成和質(zhì)量，則影響硝酸鈣結(jié)晶的因素就是對(duì)冷凍結(jié)晶過(guò)程需要加以控制的條件；根 據(jù)國(guó)外有關(guān)方面的研究，認(rèn)為冷Ca/P2O5（分子比） （除去 Ca(NO3)2 在連續(xù)操作的流程里，冷卻結(jié)晶是在并聯(lián)的四組（或更多）階梯式排列的逆流冷卻器組中進(jìn)行的，結(jié)晶器組每組具有階梯式排列的錐底的圓柱形氣流冷卻結(jié)晶槽，槽內(nèi)裝有循環(huán)冷卻介質(zhì)為冷卻鹽水的蛇管，并裝有轉(zhuǎn)速為 30～ 60 轉(zhuǎn)／分的框式攪拌器，各組間的冷卻是并聯(lián)進(jìn)行的，在每組的最后一個(gè)結(jié)晶器中保持恒定的溫度，從每一個(gè)結(jié)晶器中出來(lái)的含有結(jié)晶懸 浮液（溫度根據(jù)工藝要求而定）送入連續(xù)操作的離心過(guò)濾機(jī)，分離母液后的結(jié)晶用約 10℃ 的冷硝酸洗滌，以使被結(jié)晶帶走的 52OP 的損失減至 %以下，此洗滌被送往反應(yīng)器作分解磷礦之用，經(jīng)過(guò)洗滌的 OHNOCa 223 4)( ? 結(jié)晶可進(jìn)一步加工，濾出的母液用氣態(tài)氨在串聯(lián)的二至四個(gè)中和槽內(nèi)中和。 直接冷凍法冷凍結(jié)晶流程圖如圖 3 所示 ： 圖 3 直接冷凍法結(jié)晶冷凍圖 1酸分解液高位槽； 2冷卻器； 3導(dǎo)流筒； 4油分布器； 5油分離器； 6冷卻后由貯槽； 7油泵；8冷交換器； 9貯油槽； 10臥式離心機(jī)； 11母液貯槽； 12硝酸鈣結(jié)晶貯槽； 13～ 17泵 這一 方法比間接冷凍法有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 減少了冷凍部分的投資費(fèi)用，對(duì)于每小時(shí)每噸 52OP 的生產(chǎn)能力只需 7 立方米的冷凍容積，而在一般的 冷凍系統(tǒng)中需用 48 立方米，這就相當(dāng)于總的基建費(fèi)用減少了 20%，而且可以節(jié)約大量的不銹鋼鋼材。 這種造粒方法是在類似于硝酸銨或尿素造粒所用的有效高度為40 米以上的造粒塔中進(jìn)行的， 170℃ 左右的熔融體自塔頂?shù)母呶徊哿魅朕D(zhuǎn)速為 250～ 300轉(zhuǎn)／分的機(jī)械噴頭，這樣噴灑出來(lái)的液滴自塔的上部下落，塔底鼓入空氣，使熔融體的液滴凝固成粒子。 生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)安全問(wèn)題 用硝酸分解磷礦制復(fù)合肥料，在生產(chǎn)過(guò)程中要接觸較濃的硝酸，在酸分解過(guò)程中還有硝酸蒸汽和含氟氣體，有時(shí)還可能含有少量的含氮氧化物逸出，酸分解液中有磷酸、硝酸鈣和剩余的硝酸，在氨化過(guò)程中還有少量氨氣逸出，再造粒、干燥、篩分過(guò)程中又有粉塵煙霧等，另外車間內(nèi)有很多傳動(dòng)設(shè)備。這樣計(jì)算出來(lái)的量，通常稱為理論量，即按理論計(jì)算所需的硝酸總量，但因磷礦中經(jīng)常含有倍半氧化物及有機(jī)質(zhì)等， 故實(shí)際的硝酸用量約為理論量的 l02—105％之間。 對(duì)于磷礦顆粒的大小，也會(huì)嚴(yán)重影響到反應(yīng)速率，酸解時(shí)所用礦粉細(xì)度，從理論上講，礦粉越細(xì)和硝酸的接觸面積越大，分解速度越炔，但由于硝酸分解能力強(qiáng)，而分解后的生成物均為可溶性的，不會(huì)產(chǎn)生包裹現(xiàn)象，因此礦 粉細(xì)度可以稍粗。 結(jié)晶分離出的硝酸鈣也有著不同的加工方式 ,得到充分的利用，其中主要方法有：一是調(diào)整硝酸鈣、硝銨的比例后直接加工成硝酸銨鈣，作氮肥使用；二是用 NH3和 CO2對(duì)硝酸鈣進(jìn)行轉(zhuǎn)化生成硝銨和 CaCO3，溶液經(jīng)濃縮、干燥制成含氮 20%～ 26%的石灰硝銨肥料。 由于生產(chǎn)規(guī)模較大，所以選擇的是轉(zhuǎn)筒干燥器。4H2O 硝酸 硝酸 磷酸 磷酸 水 水 其他 其他 不溶物 不溶物 Ca(NO3)2 合計(jì) 合計(jì) 中和段物料衡算 進(jìn)出中和器的物料如圖 33 所示： 圖 33 中和器物料流程圖 溶液中剩的 3NO? 為 ： k m o 5 8 3 ???? 則 43NHNO 為 170,33 kmol/h= t/h 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 2 6 3 2 3 2 2 4 3 23 ( ) 6 2 3 6H S i F C a N O N H H O C a F N H N O S i O? ? ? ? ? ? 則需消耗的 Ca(NO3)2為 hk mo l / ??? 式中 —— 氟硅酸與硝酸用量的比值； 所以 CaHPO4的量為 : hthk m ol /, ??? 則水溶性磷為： hk m o l / 3 9 ?? 設(shè) 4 2 4()NH HPO 的量為水溶性磷的 10%，則： hthk m o l /??? 所以 4 2 4NH H PO 為 : hthk m o l /??? 所以中和反應(yīng)器中需要 3NH 的量為 hthk m o l /????? 考慮到雜質(zhì)的影響，所以 NH3用量為 105%則： ht /%1 0 ?? 把中和器中進(jìn)出物料歸結(jié)于表 34： 表 34 中和器物料衡算 輸 入 輸 出 組分 F（ t/h） 組分 F（ t/h） 硝酸 NH4NO3 磷酸 CaHPO4 水 （ NH4） 2HPO4 其他 NH4H2PO4 Ca(NO3)2 水 NH3 水蒸氣 其他 合計(jì) 合計(jì) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 濃縮段物料衡算 進(jìn)出濃縮段的物 料組分如圖 34： 圖 34 濃縮器物料流程圖 通入 220℃ 的過(guò)熱蒸氣為 t/h，料漿進(jìn)口含水量為 %，查閱相關(guān)報(bào)告設(shè)料漿出口含水量為 10%； 設(shè)從 Ca(NO3)2晶體中返回的 43NHNO 為 X Kmol/h，則： 2 1 4 1 ) 7 0( ???????? X ?X 查閱文獻(xiàn) [7]知出料濕基含量為 15%～ 10%，故取 10%； % ??? xx ?x 各組分量歸納于表 35： 表 35 濃縮段物料衡算 輸 入 輸 出 組分 F（ t/h） 組分 F（ t/h） 料漿 料漿 過(guò)熱蒸氣 蒸氣 硝酸銨 硝酸銨 水蒸發(fā)量 合計(jì) 合計(jì) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 干燥段物料衡算 進(jìn)出干燥器的料組成如圖 35： 圖 35 干燥器物料流程圖 查閱文獻(xiàn) [7]知出料濕基含量為 ≤1%，故取 1%；返料為出料的 倍左右，故取。K ； 30—— 進(jìn)料溫度， K； 硝酸與磷礦的反應(yīng)熱： 5 4 3 3 3 2 3 4( ) 1 0 5 ( ) 3? ? ? ?Ca F P O H NO Ca NO H P O H F 即： fHnq ?? 式中： － —— 硝酸鈣的摩爾生成含， kJ/mol － —— 磷酸的摩爾生成含， kJ/mol —— 氟化氫的摩爾生成含， kJ/mol － —— 3HNO 的摩爾生成含， kJ/mol － —— 5 4 3()CaF PO 的摩爾生成含， kJ/mol 因?yàn)槠渌煞值牧亢苌伲曳懦龅臒崃恳草^少，故忽略不計(jì)； 由此可得： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 7 0 3 0 6 1 8504 ?????反應(yīng)Q 式中： —— 磷精礦中氟磷灰石含量，單位分?jǐn)?shù)，（即：磷精礦中 P2O5 的含量 247。K）； ——硝酸鈣的比熱， kJ/（ kgK）； kJ1 8 1 3 1 2 4 ????????? mhTmcQ p氣 式中 [8] ——水的汽化熱， kJ/kg； 損失的熱量為總熱量的 %則： ?損Q 表 38 中的物質(zhì)是指硝酸、磷酸、水、硝酸鈣以及氨氣； 將給組分的能量總結(jié)于表 38： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 表 38 中和器能量衡算 輸 入 輸 出 組成 kJ 組成 kJ 料漿帶入 料漿帶出 反應(yīng)產(chǎn)生 氣化熱 18131244 熱損失 合計(jì) 合計(jì) 濃縮段能量衡算 料漿進(jìn)口溫度 120℃ ，出口溫度為 170℃ ；蒸氣進(jìn)口溫度 220℃ ，出口溫度為 140℃ ； 輸入的熱量為： 蒸氣料 Q ?? 34 ?????? TmcQ pNONH 則： 7 0 8 6 2 81 4 0 4 3 5 6 8 1 8 9342 ????? NONHQ 料 8 6 5 3 1 3 ?????? TmcQ p蒸氣 式中 [8] ——過(guò)熱蒸汽的比熱， kJ/（ kg 中和反應(yīng)器 已知條件 (1)由物料衡算知每小時(shí)產(chǎn)生中和料漿 42900Kg； (2)根據(jù)物料平衡，中和料漿含水 %，再參考有關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，選用中和料漿粘度 55? 103 Pa 厚度計(jì)算 P=， T=140℃ ， D=2200mm， []? =90MPa， ? =，腐蝕裕量 C=3mm 計(jì)算厚度 S 為： mmPPDS ][2 ???? ???? ?? 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 設(shè)計(jì)厚度 S 設(shè) 為： mmCSS ?????設(shè) ，取 7mm； 查閱相關(guān)手冊(cè) [16]：封頭曲面高度為 575mm，直邊高度為 40mm。 其中管子排列方式如圖 41 所示： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 41 換熱管排列圖 (2)加熱器外殼內(nèi)徑 D 外 ?25mm 加熱管，正三角形排列，查有關(guān)手冊(cè)，規(guī)定管間距為 32mm。它具有生產(chǎn)能力大，可連續(xù)操作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；故障少，維修費(fèi)用低；使用范圍廣，操作彈性大等